多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　0 引言

　　智能輪椅的任務(wù)是安全、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務(wù)。在運動過程中，輪椅既需要接受用戶的指令，又需結(jié)合環(huán)境信息啟動自身避障、導(dǎo)航等功能模塊，與移動機器人不同的是，在使用過程中，輪椅與用戶成為一個協(xié)同工作的系統(tǒng)。這就要求在設(shè)計之初就把人這個因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應(yīng)成為智能輪椅設(shè)計中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設(shè)計為一個功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統(tǒng)，而模塊化最能體現(xiàn)系統(tǒng)多功能化的特征，每個用戶都能根據(jù)其自身殘障類型和程度選擇適當?shù)哪K集成，且設(shè)計者可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進行改進。本文著重就智能輪椅模塊化設(shè)計進行了闡述。

　　1 傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　智能輪椅的總功能可以分為以下幾個子功能：環(huán)境感知及導(dǎo)航功能、控制功能、驅(qū)動功能和人機交互功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結(jié)合具體的研究內(nèi)容和期望控制目標，本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、驅(qū)動控制模塊和人機交互模塊3部分組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，通過姿態(tài)傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺、超聲波和接近開關(guān)主要負責持續(xù)獲得周圍環(huán)境和障礙物的距離信息。驅(qū)動控制模塊我們采用后輪驅(qū)動的方式，每一個后輪配置一個電動機，在控制器的操作下實現(xiàn)電動輪椅的前進、后退和轉(zhuǎn)向。人機交互界面由操作桿和個人電腦界面數(shù)據(jù)輸入兩種方式，實現(xiàn)基本的人機交互功能。

　　其中，數(shù)據(jù)采集單元擬選擇DSP TMS320LF2407A作為傳感器模塊的控制芯片。TMS320LF2407A是一款高性能的數(shù)字信號處理器，它具有較高的頻率，豐富的外圍接口。它的主頻可達150MHz、低功耗(核電壓1.8V，I/O電壓3.3V);128kXl6位片上FLASH，18kXl6位片上SRAM，4kXl6位片上ROM;用于電機控制的外設(shè)，2個事件管理器;多種標準串口外設(shè)，1個SPI同步串口、2個UART異步串口、1個增強型CAN總線接口、1個McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器;56個獨立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。能夠符合本系統(tǒng)設(shè)計的要求。

　　2 多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理

　　本系統(tǒng)的智能輪椅有2個獨立的驅(qū)動輪，各自配備一個電機碼盤。由2個電機碼盤的實時檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成了里程計式的相對定位傳感器，同時安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進過程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開關(guān)被用于感知周圍環(huán)境信息。為獲取更大范圍內(nèi)的障礙物信息，本系統(tǒng)配備了8個紅外傳感器和8個超聲波傳感器。另外安裝了一個CCD攝像頭用于判斷前方行進路程中的深度信息。

　　以下依次介紹上面幾種傳感器的硬件設(shè)計方案。

　　2.1 超聲傳感器與接近開關(guān)

　　本超聲波測距系統(tǒng)共有8個超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分別置于輪椅四周各兩個。為了檢測到一些被超聲波傳感器遺漏或未能及時處理的障礙，還要在輪椅四周加裝四個電感式接近開關(guān)。障礙物碰到防撞橡膠圈引起金屬條發(fā)生變形，產(chǎn)生垂直方向上的位移，觸發(fā)接近開關(guān)動作，得到一個開關(guān)信號(中斷請求信號)，使移動機器人立即停止運行。

　　超聲波環(huán)境探測電路主要由多路模擬開關(guān)、升壓放大電路、緩沖放大整形電路和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖2所示。

　　升壓放大電路和超聲波發(fā)射換能器組成了超聲波發(fā)射部分。發(fā)射過程是：首先由DSP的脈寬調(diào)制通道產(chǎn)生一定脈寬的調(diào)制脈沖波，經(jīng)變壓器升壓放大電路后產(chǎn)生一個瞬間的高能信號，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號。需要注意的是，超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會直接進入超聲波接收端，從而產(chǎn)生很強的虛假反射波，造成所謂的振鈴現(xiàn)象。為了避免振鈴，需要進行軟件延時處理，從而導(dǎo)致探測盲區(qū)。在程序處理上，就是在DSP發(fā)射激勵脈沖波以后一段時間內(nèi)將相應(yīng)的CAP中斷關(guān)閉，盲區(qū)間隔過了以后再將CAP中斷打開。超聲波的接收部分必須與發(fā)射部分協(xié)調(diào)一致地工作，才能保證信號準確靈敏地接收。此部分主要由超聲波接收換能器、放大濾波、整形觸發(fā)輸出電路組成。由于在超聲波傳播中，其能量會隨著傳播距離的增大而減小，從遠距離障礙物反射回的回波信號一般比較弱，所以需要經(jīng)過多級信號放大處理后才能夠被DSP中斷輸入端口檢測到。

　　2.2 編碼器

　　在智能輪椅系統(tǒng)中，除了要對環(huán)境的距離信息進行測量，有時還要對方位信息進行有效的觀測或者估計。對于大多數(shù)的室內(nèi)移動機器人系統(tǒng)而言，方位信息一般是通過碼盤信息間接估計得出的，本系統(tǒng)也采用這種方法。通過計算從碼盤讀出的信息得出結(jié)果，代價是需要一定的計算時間。

　　在TMS324LF2407A芯片上有兩個時間管理模塊(EV)，每個EV模塊都有一個正交編碼脈沖電路，使用該電路后，在兩個相應(yīng)引腳上即可輸入正交編碼脈沖。該電路可用于連接光電碼盤以獲得旋轉(zhuǎn)機械的位置和速率等信息，但需要注意的是，此時必須禁止相應(yīng)引腳上的捕獲功能。

　　正交編碼脈沖電路的時序可由通用定時器2(或通用定時器4，EVB模塊)提供，通用定時器必須設(shè)置成定向增/減模式，并且以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。

　　正交編碼脈沖是兩個頻率變化且正交(相位相差90°)的脈沖，它由電機軸上的光電編碼器產(chǎn)生，碼盤在電機軸上并且有許多空線槽，可以透光，當電機帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，如果發(fā)光二極管發(fā)出的光被擋住，那么后面的光電傳感器就接收不到信號，然后光電傳感器發(fā)出一個低電平脈沖，即“0”，如果旋轉(zhuǎn)位置正好使得光源可以透光線槽，那么光電傳感器感應(yīng)到信號，就發(fā)出一個高電平脈沖，即“1”。

　　正交編碼脈沖電路的方向檢測邏輯決定了兩個脈沖序列中哪一個是先導(dǎo)序列，接著它就產(chǎn)生方向信號作為通用定時器的計數(shù)方向輸入，兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交脈沖編碼電路計數(shù)，因此，產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2或4的輸入時鐘。圖3給出了正交編碼脈沖、增減計數(shù)方向及時鐘的波形。

　　2.3 姿態(tài)傳感器

　　本系統(tǒng)區(qū)別于其他輪椅設(shè)計的一個最顯著的特點，就是本設(shè)計能夠僅僅依靠兩個輪子完成車體的平衡。這個顯著特征要求它有特殊的結(jié)構(gòu)，基本的設(shè)計思想為：保持兩個輪子分別由獨立的直流電動機驅(qū)動，并且在一條軸線上，車體的重心保持在輪軸以上，使用檢測車體傾斜角度的傳感器實時地獲取車體的姿態(tài)信息，機器人的處理器將傳感器信號進行處理，按照一定的控制算法計算出控制量控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動機器人前進或后退，完成車體的平衡。

　　本智能輪椅采用一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合構(gòu)成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺的運行姿態(tài)。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。

　　以TMS320LF2407A為控制核心的運動控制器，根據(jù)編碼器和姿態(tài)傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態(tài)信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動器放大后驅(qū)動直流電動機運轉(zhuǎn)，隨時調(diào)整車體平臺的運行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)?？刂齐娐吩韴D如圖4所示?？刂瓢宀杉瘉碜詢A角和角速度傳感器的信號并對信號進行調(diào)理(濾波、整形、偏移)，然后將信號傳送到控制板中，經(jīng)過DSP的運算處理(控制算法由電動車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出)，通過DSP的兩路脈寬調(diào)制將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，控制輪椅保持平衡狀態(tài)。

　　2.4 攝像頭

　　用于感知環(huán)境的深度信息，如判斷前方是否有樓梯以及提取樓梯的高度信息，提取路途標志物用以導(dǎo)航等等。攝像頭可直接通過USB與PC機通訊，在這里不再另外敘述。

　　3 結(jié)束語

　　本文設(shè)計了用于智能輪椅的多傳感器環(huán)境感知系統(tǒng)，對各數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)做了詳細的介紹，采用簡單可靠的硬件電路感知環(huán)境信息。經(jīng)實驗證明，此系統(tǒng)方案具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、重復(fù)性好等特點，而且采取了模塊化設(shè)計，可以更方便地添加新研制的功能模塊和進行技術(shù)更新，便于消費者根據(jù)自身生活需要，選擇和組合各模塊，使各功能模塊得到充分的應(yīng)用，從而能夠滿足不同消費階層的需要。